《机械设计基础》 课件 第一章-总论；第二章-平面机构的运动简图及其自由度

机械设计基础第一章总论§1.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容§1.2机械设计的基本要求和一般步骤§1.3现代设计理论及方法简介§1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念§1.5

机械零件的强度1.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容“机械设计基础”研究的对象是机械或机器。机器实例1：内燃机功能：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器

组成：见右图气缸体1活塞2进气阀3排气阀4连杆5曲轴6凸轮7顶杆8齿轮91.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容1.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容机械的特征1）人为的实物组合——由人工组合的构件系统2）各实物间具有确定的相对运动3）实现能量转换或完成有效的机械功活塞—缸体：往复运动曲轴—缸体：转动连杆—曲轴：摆动刨头—床身：往复直线如内燃机：热能→机械能发电机：机械能→电能电动机：电能→机械能具有以上三个特征——机器只具有机器的前两个特征——机构可见，机器与机构的关系：机器是由一种或多种机构组成的如1.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容1.一般机器的组成：发动机、传动机构和工作机构。2.机器由机构组成:

机构——人工组合的构件系统

构件：组成机器的各个相对运动的实物。单一零件——曲轴多个零件的刚性组合——连杆是机器中独立运动的单元体，由一个或几个零件组成构件是机械中运动的单元体，零件是机械中制造的单元体。1.1“机械设计基础”课程研究的对象和内容

零件：机械中不可拆的制造单元体。

3.

零件是组成机器最基本的单元体

部件：若干个零件的装配体

机械设计基础的研究对象是常用机构和通用零部件的工作原理、运动特点、结构特点、设计计算的基本理论和方法及有关标准规范

零件可分为两类：专用零件：特定机器中所使用的零件，如活塞、曲轴、叶片通用零件：各类机器中普遍使用的零件，如齿轮、轴、螺栓等

1.2机械设计的基本要求和一般步骤一、机械设计的基本要求1.运动和动力性能要求2.工作可靠性要求⑴强度:衡量零件抵抗破坏的能力；工作应力不得超过许用应力(强度计算准则)。⑵刚度：衡量零件抵抗弹性变形的能力；零件工作时的弹性变形量不超过机械工作性能所允许的极限值(刚度计算准则)。⑶耐磨性：零件抵抗磨损的能力；磨损计算准则。⑷耐热性：抗氧化，抗热变形和抗蠕变的能力；热平衡准则。⑸振动稳定性：共振失效。1.2机械设计的基本要求和一般步骤3.经济性要求4.劳动保护要求5.其他特殊要求1.2机械设计的基本要求和一般步骤二、机械设计的一般步骤1.提出设计要求2.调查研究、分析对比、确定设计模型与方案3.结构设计4.试验分析5.使用与考核讨论：①例举3－5种把回转运动转为直线运动、两种直线运动转为回转运动的机构；1.2机械设计的基本要求和一般步骤1.3现代设计理论及方法简介一、现代设计方法的特点和范畴二、现代设计方法简介1.机械优化设计2.计算机辅助设计3.可靠性设计4.变型产品设计5.价值工程设计6.系统论方法设计7.机械学理论和方法8.创新设计9.设计方法学设计10.基于实例设计11.质量驱动设计12.参数化设计13.分形设计14.智能设计15.虚拟产品设计16.网上设计1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念一、机械零件的常用材料机械零件的常用材料主要是钢和铸铁，其次是有色金属合金。有些机械零件也采用非金属材料。（一）钢（碳的质量分数小于2%）钢碳素钢合金钢1、按含碳量分低碳钢0.02%<C<0.25%中碳钢0.25%<C<0.6%高碳钢0.6%<C<2%2、按质量和用途分碳素结构钢优质碳素结构钢合金结构钢特殊性能钢铸钢材料机械性能名称牌号抗拉强度

b(N/mm2)屈服强度

s(N/mm2)硬度(HBS)普通碳素结构钢Q215Q235Q255Q275335~410375~460410~510490~610215235255275

优质碳素结构钢203545410530600245315355156197220合金结构钢18Cr2Ni4W35SiMn40Cr40CrNiMo20CrMnTi65Mn1187859819801079735835510785835834430260229247269

2172851.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念铸钢ZG230-450ZG270-500ZG310-570450550570230270310

130

143

153灰铸铁HT150HT200HT250145195240———150~200170~220190~240球墨铸铁QT450-10QT500-7QT600-3QT700-2450500600700310320370420160~210170~230190~270225~3051.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念常用钢种：1.普通碳素结构钢2.优质碳素结构钢3.合金结构钢在钢中加某些合金元素就构成合金结构钢，它具有良好的力学性能和热处理性能。按合金钢中合金元素质量分数，可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。牌号采用“数字＋合金元素符号＋数字”的方法表示。以字母Q和一组数字表示，数字表示屈服点，按品质分为A,B,C,D四个等级。力学性能优于普通碳素结构钢。牌号以碳的质量分数的万分数表示，如25，35，45钢。1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念4.特殊性能钢具有特殊物理性能和化学性能的钢为特殊钢，它的特殊性能随所含合金元素不同而不同。牌号编法与合金结构钢相同。5.铸钢不论是碳素钢或是合金钢，凡用来直接铸造零件毛坯的，均称为铸钢，用符号ZG表示。对于碳素铸钢，在ZG后加两组数字表示它的屈服点和抗拉强度；对于合金铸钢，则只在合金钢牌号前面加“ZG”。1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念（二）铸铁（碳的质量分数大于2%）碳的质量分数大于2%的铁碳合金。铸铁的抗拉强度、塑性、韧性较差，无法进行锻造和压延，但它的抗压强度较高，具有良好的铸造性、切削加工性和减摩性。常用的铸铁有灰铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁三种。⑴灰铸铁（片状石墨）⑵球墨铸铁（球状石墨）制造机械零件的主要铸造材料。牌号由“HT”和一组数字组成。数字表示平均抗拉强度。牌号由“QT”和两组数字组成，前一组数字表示最低抗拉强度(MPa)，后一组数字表示最低伸长率(%)。1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念⑶可锻铸铁（团絮状石墨）用于制造一些截面较薄而形状较复杂、工作中受到振动而强度要求又较高的零件。牌号由“KT”或“KTZ”及两组数字组成，前一组数字表示最低抗拉强度(MPa)，后一组数字表示最低伸长率(%)。1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念（三）有色金属合金铁以外的金属均称为有色金属。有色金属通常均以其合金用于制造机械零件。有色金属合金具有一些特殊性能，如高的导电性，导热性，耐腐蚀性和减摩性等。常用的有色金属合金：⑴铜合金⑵铝合金（四）非金属材料工程塑料、橡胶、皮革、陶瓷等。1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念二、材料的选择⑴使用要求⑵制造工艺要求⑶经济性要求首先应保证零件不失效。1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念三、钢的热处理概念1、热处理的概念

2、热处理的目的

将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。（1）提高钢的力学性能（2）改善钢的工艺性能1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热将热处理分为：1、整体热处理2、表面热处理表面淬火、气相沉积3、化学热处理：退火、正火、淬火、回火渗碳、氮化、碳氮共渗1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念1.退火将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉冷却的热处理方法。可以消除内应力和降低硬度，以利于切削加工，提高塑性和韧性，改善组织，为进一步热处理作好准备。2.正火正火的方法与退火相似，所不同的是用正火时，钢是在空气中冷却。由于正火的冷却速度比退火快，钢的硬度和强度较高，但消除内应力不如退火彻底。1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念3.淬火与回火淬火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后在水或油中快速冷却的热处理方法。钢件淬火后，硬度急剧增加，但存在很大的内应力和脆性。为了减小内应力和脆性，避免发生变形甚至开裂，以获得良好的力学性能，淬火后一般均需回火。回火是将淬火钢重新加热到某一低于临界点的温度，保温一段时间，然后冷却下来的热处理方法。回火钢的硬度随加热温度的升高而降低。1.4机械零件的常用材料及钢的热处理概念1.表面淬火表面淬火是将工件表面迅速加热到淬火温度、不等热量传至中心、立即快速冷却的热处理方法。2.化学热处理化学热处理是将钢件放在含有某种化学元素的介质中通过加热、保温和冷却的方法，使介质中的某些元素的活性原子渗入到钢件表层，改变钢件表层的化学成分和组织，从而使其表面具有与芯部不同的特殊性能。1.5机械零件的强度一、机械零件的载荷1.静载荷和变载荷不随时间变化或变化很小的载荷称为静载荷；随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷称为变载荷。2.名义载荷和计算载荷修正后的名义载荷为计算载荷。根据机器原动机的额定功率，或按机器在稳定和理想条件下的工作阻力，用理论力学进行分析所得到的作用在零件上的载荷，称为名义载荷。1.5机械零件的强度二、机械零件的应力1.静应力(a)大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力。2.变应力(b,c,d)大小和方向随时间变化。循环变应力稳定变应力(上图b,c,d)有规律的不稳定变应力(下图a)随机变应力(下图b)1.5机械零件的强度三、静应力下机械零件的强度计算1.静应力计算的强度准则极限应力许用应力许用安全系数[S]：极限应力与许用应力的比值判断零件强度有两种方法：1.5机械零件的强度对于塑性材料，在静应力作用下的主要失效形式是塑性变形，故取材料的屈服极限作为极限应力，即。对于脆性材料，在静应力作用下的主要失效形式是断裂，故取材料的强度极限作为极限应力，即1.5机械零件的强度2.计算应力3.安全系数合理选择安全系数是强度计算中的一项重要工作：其值取得过大，则许用应力过小，将使零件结构笨重；取得过小，许用应力过大，零件可能很容易损坏而不安全。可用下述方法求得：⑴查表法⑵部分系数法选择原则：在保证安全可靠的原则下，尽可能减小安全系数。危险截面上的最大工作应力。1.5机械零件的强度四、变应力下机械零件的强度计算材料在变应力下的破坏称为疲劳破坏。疲劳曲线循环次数断裂时的循环应力在给定的循环特性r的条件下，不同循环次数N时材料的极限应力为σrN1.5机械零件的强度五、机械零件的接触强度概念接触应力接触强度疲劳点蚀防止点蚀破坏的计算准则是校核其接触应力第二章平面机构的运动简图及其自由度§2.1运动副及其分类§2.2平面机构的组成及其运动简图§2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件2.1运动副及其分类自由度：可能出现的独立运动。作平面运动的自由构件有三个自由度作空间运动的自由构件有六个自由度机构中的构件，在未组成机构之前，都是自由构件。任一作平面运动的自由构件有三个可能的独立运动。2.1运动副及其分类一、平面运动副由两个构件直接接触并能保持一定相对运动的可动联接称为运动副。运动副是两构件接触后的产物，分开即消失。两构件组成的运动副根据其对构件相对运动的约束及两构件接触形式不同，一般将平面运动副分为低副和高副两类。1.低副两构件通过面接触形成的运动副称为低副。可分为回转副和移动副。2.1运动副及其分类(1)回转副两构件之间只能绕同一轴线作相对转动，这两个构件所组成的运动副称为回转副或铰链。(2)移动副两个构件组成只能沿某一直线作相对移动的运动副称为移动副。2.1运动副及其分类2.高副两构件通过点或线接触组成的运动副称为高副。凸轮高副齿轮高副2.1运动副及其分类二、空间运动副若运动副能允许两构件作空间相对运动，则称该运动副为空间运动副。常用的空间运动副有螺旋副、球面副。2.2平面机构的组成及其运动简图一、机构中构件的分类组成机构的构件按其运动性质可分为三类：⑴固定件（机架）支承活动构件的构件。在研究机构中活动构件的运动时，通常以固定件作为参考坐标系。⑵原动件在机构中，按给定运动规律相对机架运动的构件。一般机构中原动件数为1，但也有多于1的。⑶从动件在机构中，随原动件相对机构运动的其余活动构件。2.2平面机构的组成及其运动简图二、机构运动简图2.2平面机构的组成及其运动简图2.2平面机构的组成及其运动简图2.2平面机构的组成及其运动简图1.绘制机构运动简图应遵守的原则⑴机构运动简图应与实际机械有完全相同的运动特征。⑵凡是与机构各部分运动有关的要素都应该表示清楚，凡是与机构运动无关的因素都应该略去。在机构中，如原动件的运动规律、构件的数目、运动副的类型和数目以及与机构运动有关的尺寸等都是与机构运动有关的要素；而构件的外形、剖面形状和尺寸、组成构件的零件数目及零件间的固联方式以及各运动副的具体结构等都是与机构运动无关的因素。2.2平面机构的组成及其运动简图2.绘制机构运动简图的方法和步骤⑴弄清机构的组成情况⑵测定与机构运动有关的尺寸⑶正确选择投影平面⑷选定比例尺按规定符号画出运动简图按运动传递的顺序，找出原动件、从动件、机架，确定构件的数目，运动副的数目和类型。选择与机构运动平面相平行的面各转动副之间的中心距，轴线固定的转动副及移动副导路中心线的位置尺寸。2.2平面机构的组成及其运动简图10，3，4，11曲柄滑块机构；1，18，2齿轮机构；7，8，9，2凸轮机构。气缸体－固定件；活塞－原动件；其余都是从动件。回转副移动副高副2.2平面机构的组成及其运动简图一、平面机构的自由度回转副：约束了沿X和Y轴线方向移动的两个自由度，只保留了一个在XOY平面内转动的自由度；移动副：约束了沿一轴（X或Y轴）线方向的移动和在XOY平面内转动的自由度，只保留沿另一轴线方向移动的自由度。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件齿轮高副：只约束了一个沿接触处公法线n-n方向移动的自由度，保留了绕接触处转动的自由度和沿接触处公切线方向移动的自由度。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件在平面机构中，每个低副引入两个约束，使构件失去两个自由度；每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度。设某平面机构除机架外，共有n个活动构件，低副PL个，高副PH个，则机构自由度为：机构的自由度就是机构中所有活动构件相对机架所能具有的独立运动的数目。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件计算自由度：!易错2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件没有高副2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件二、机构具有确定运动的条件如果机构的原动件数与机构的自由度数不等，则会导致机构中薄弱部分损坏，或使机构中构件运动不确定。F=1应当具有1个原动件若指定两个原动件，则可能使机构卡住不动，或使薄弱处损坏。所以，在自由度为1的机构中设两个原动件是不允许的。机构的自由度数应等于原动件数。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件说明该机构中应当有两个原动件，机构中各构件的运动才是确定的。静定桁架，F=0。如果算得的自由度为负值，则称为超静定桁架。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件1.机构自由度必须大于零，并且与原动件数相等时，机构中各构件才有确定运动。2.当机构的自由度数少于原动件数时，机构不动或薄弱处损坏；当机构自由度数大于原动件数时，机构中各构件的运动不确定。机构具有确定运动的条件：机构的自由度大于零，且自由度与原动件数相等。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件三、计算平面机构自由度时的注意事项1.复合铰链两个以上的构件在同一轴线上用回转副联接就形成了复合铰链。3个构件，2个回转副m个构件，(m-1)个回转副2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件C处两个回转副，共6个回转副，1个移动副2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件2.局部自由度机构中出现的与输出构件运动无关的自由度，称为局部自由度（或多余自由度）。在计算机构自由度时，应将局部自由度除去不计。两个独立运动2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件将滚子3与从动杆2焊成一体滚子绕其自身轴线的转动是与输出构件运动无关的一个局部自由度，计算自由度时应略去不计。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件3.虚约束在机构中，有些运动副对机构的运动所引起的约束作用是重复的，这种不起独立限制作用的约束，称为虚约束或消极约束。在计算机构自由度时应将虚约束除去不计。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件除上述因两构件在联接处的轨迹重合，会出现虚约束外，当两构件在多处组成移动副且导路方向平行或重合时；或两构件在多处组成回转副且都在同一轴线上时；或机械中出现对运动无影响的对称部分时，都会出现虚约束。构件3与机架4在两处组成移动副，且移动方向一致，其中一个移动副应视为虚约束。齿轮与机架组成两个回转副，其中一个应视为虚约束。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件虚约束类型较多，比较复杂，在自由度计算时要特别注意。为便于判断，将常见的几种形式简述如下。（1）两构件在多处用转动副连接，且各转动副的轴线重合，这时只有一处转动副起作用，其余转动副均为虚约束。下图所示的齿轮机构中，每根轴处都有两个转动副。计算机构自由度时，每根轴上仅计一个转动副，余者为虚约束。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件（2）两构件在多处用移动副联接，且各移动副的导路平行，这时只计一处移动副，其余为虚约束。下图所示的机构中，构件3与机架4用两个移动副，连接，且导路平行，计算机构自由度时，仅考虑一个移动副，余者为虚约束。

2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件（3）两构件在多处用高副联接，且各高副的公法线重合，这时只计一处高副的约束，余者为虚约束。下图所示的机构中，圆形构件与框架在A、B两处形成两个高副，且各高副处的公法线重合，计算机构自由度时，仅考虑一个高副，余者为虚约束。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件（4）不起约束作用的构件将导致虚约束，在计算机构自由度时要去掉该构件。图a所示的轮系机构中，齿轮Z1、Z2、Z3、H组成一个具有确定运动的轮系机构，为平衡齿轮2的惯性力，在其对称方向又安装一个行星轮，该行星轮连同支撑该齿轮的转动副为虚约束，计算自由度时应该去掉。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件图b所示机构中，AB=AC=OA，没有OA之前，A点的运动轨迹是以O为圆心，OA为半径的圆。加装OA后，A点的轨迹没变，因此OA为虚约束。在计算自由度时应该去掉带有两个转动副元素的构件OA。这类约束的判断比较复杂，一般要经过几何证明。2.3平面机构的自由度及机构具有确定运动的条件（5）若两构件上两点间距离在运动过程中始终保持不变，当用运动副和构件连接该两点时，则构成虚约束，如下图所示机构中，B、C两点之间的距离不随机构的运动而改变，杆件BC连同转动副元素B、C为虚约束，计算机构自由度时必须将其去掉。典型例题计算机构的自由度。n=4，PL=6，PH=0F=3n-2PL-PH=3×4-2×6=0计